物理前沿專題講座

1、物理前沿專題物理前沿專題講座講座量子物理金亮金亮2016.7.1十七世紀(jì)末，牛頓自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理出版，創(chuàng)立的經(jīng)典物理學(xué)。二十世紀(jì)初，相對(duì)論和量子論的建立，徹底挑戰(zhàn)顛覆了經(jīng)典物理學(xué)，是近代物理學(xué)的核心。物理學(xué)的發(fā)展物理學(xué)的發(fā)展第一次科學(xué)革命的集大成之作，它在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)和和哲哲學(xué)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理提出了經(jīng)典力學(xué)的三個(gè)基本定律和萬(wàn)有引力定律量子概念的提出量子概念的提出1900年，普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出能量量子化假說(shuō)，揭開(kāi)20世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕；1905年，愛(ài)因斯坦用光量子假說(shuō)解釋光電效應(yīng)；1913年，波爾創(chuàng)造性的將量子概念應(yīng)用于盧瑟福的原

2、子模型，建立半經(jīng)典，半量子的氫原子理論，說(shuō)明了氫原子光譜的規(guī)律；1923年，德布羅意提出物質(zhì)波假說(shuō)；1926年，薛定諤提出薛定諤方程，建立量子力學(xué)。量子力學(xué)的建立量子力學(xué)的建立1927年第五次索爾維會(huì)議年第五次索爾維會(huì)議量子理論相對(duì)論DNA結(jié)構(gòu)二十世紀(jì)三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)二十世紀(jì)三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎(jiǎng)諾貝爾獎(jiǎng)薛定諤、狄拉克(1933)海森堡(1932)德布羅意(1929)普朗克(1918)愛(ài)因斯坦(1921)玻爾(1922)電子的波動(dòng)性原子結(jié)構(gòu)和輻射光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)量子創(chuàng)立量子力學(xué)量子力學(xué)的基本方程薛定諤、狄拉克方程雙縫干涉實(shí)驗(yàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)波動(dòng)性粒子性疊加原理“Goddoesntplaydice!”上帝不擲

3、骰子！巨大爭(zhēng)議巨大爭(zhēng)議薛定諤貓態(tài)薛定諤貓態(tài)1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出著名的“薛定諤貓”佯謬。美國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了6個(gè)鈹離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)貓態(tài):可分辨宏觀量子態(tài)AliveDead+ 量子退相干量子退相干拉比震蕩-11-11退相干宏觀量子現(xiàn)象宏觀量子現(xiàn)象 超導(dǎo)超流BEC玻色子是自旋為整數(shù)的粒子，其本征波函數(shù)對(duì)稱，在玻色子的某一個(gè)能級(jí)上，可以容納無(wú)限個(gè)粒子。因而符合玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布的粒子，不滿足泡利不相容原理。費(fèi)米子為自旋為半整數(shù)的粒子，其本征波函數(shù)反對(duì)稱，在費(fèi)米子的某一個(gè)能級(jí)上，最多只能容納一個(gè)粒子。因而符合費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布的粒子，滿足泡利不相容原理。玻

4、色子玻色子-費(fèi)米子費(fèi)米子基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子）；而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。玻色子具有整體特性，在低溫時(shí)集聚到能量最低的同一量子態(tài)(基態(tài))；費(fèi)米子具有互相排斥的特性，它們不能占據(jù)同一量子態(tài)，因此其它的費(fèi)米子就得占據(jù)能量較高的量子態(tài)，原子中的電子就是典型的費(fèi)米子。1924年玻色和愛(ài)因斯坦就從理論上預(yù)言存在另外的一種物質(zhì)狀態(tài)玻色愛(ài)因斯坦冷凝態(tài)，即當(dāng)溫度足夠低、原子的運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)。此時(shí)，所有的原子就象一個(gè)原子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)。1995年

5、，麻省理工學(xué)院的沃夫?qū)鶆P特利與科羅拉多大學(xué)波爾德分校（UniversityofColoradoBoulder）的埃里克康奈爾和卡爾威曼使用氣態(tài)的銣原子在170nK（1.7乘10的-7次方K）的低溫下首次獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)。玻色玻色-愛(ài)因斯坦凝聚愛(ài)因斯坦凝聚(BEC).1985年，量子霍爾效應(yīng)1986年，掃描隧道顯微鏡1989年，離子阱1996年，氦-3超流1997年，激光制冷1998年，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)量子物理相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)量子物理相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2001年，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)2003年，超導(dǎo)，超流2

6、007年，巨磁阻效應(yīng)2012年，量子操控BEC巨磁阻超流超導(dǎo)量子測(cè)量與操縱量子比特量子比特經(jīng)典信息經(jīng)典系統(tǒng)的狀態(tài)量子系統(tǒng)的狀態(tài)01 量子信息cos( ), sin( ).22ie|0二能級(jí)原子硬幣|1+量子門(mén)量子門(mén)Hadamardgate,這個(gè)門(mén)將基本狀態(tài) |0 變成，并且將 |1 變成Pauli-Xgate,這個(gè)門(mén)相當(dāng)于經(jīng)典的邏輯非門(mén)。 它將 |0換成 |1并且 |1換成 |0。 Pauli-Ygate,這個(gè)門(mén)可以用一個(gè)泡利Y矩陣表示：這個(gè)門(mén)保留基本狀態(tài)|0不變,并且將|1換成|-1。Pauli-Zgate,這個(gè)門(mén)保留基本狀態(tài)|0并且將|1換成ei|1。Phaseshiftgate,2222

7、2( ,)269110 35414f x yx yx yxyxyyy=+22( )1352( )27g xxxh yyy=+=+( ,)()( )f x yg xh y=22(,)f x yxyx y=+()()g xh y可分離不可分離量子糾纏態(tài)量子糾纏態(tài)ABABNon-entangledABABEntangled( ,)( )( )A BABY=Y Y( ,)( )( )A BABYY Y量子糾纏態(tài)量子糾纏態(tài)()12y=+zSMagical Power?非經(jīng)典關(guān)聯(lián)一對(duì)一 A B非定域性非定域性三個(gè)量子比特(qubit)的GHZ態(tài)和W態(tài)(1) 在量子密碼學(xué)里，糾纏粒子被用來(lái)傳輸信息，使用這種

8、方法，任何竊聽(tīng)動(dòng)作必定會(huì)留下痕跡。(2)在量子計(jì)算學(xué)里，糾纏量子態(tài)可以做并行計(jì)算，允許某些種運(yùn)算的速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多。很多正在研發(fā)中的科技依靠量子糾纏為基本運(yùn)作機(jī)制。Laser Cooling (Laser Cooling (激光激光冷卻冷卻) )1997NobelPrizewinners.Lasercoolingcangettothelowtemperatureof0.18K(10-6開(kāi)爾文).Chu朱棣文Cohen-TannoundjiPhillips激光冷卻是利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)以獲得超低溫原子的技術(shù)。光子iEikpdtpdFsEskp光子具有能量和動(dòng)量原子和光子間可

9、以傳遞能量和動(dòng)量作用到原子上的力從光子到原子的動(dòng)量absorptionemission多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)藍(lán)移紅移高頻低頻激光冷卻激光冷卻原子在頻率略低于原子躍遷能級(jí)差且相向傳播的一對(duì)激光束中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的光子，而對(duì)與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較小;原子原子激光冷卻激光冷卻二能級(jí)原子二能級(jí)原子TemperatureLandmark106103110-310-610-90(K)core of sunsurface of sunroom temperatureL N2L He3He superfluidity2003 MIT Na BECtypical

10、 TCof BECMOTsub-Doppler cooling比室溫低 12 orders光晶格光晶格光子晶體光子晶體一維周期系統(tǒng)一維周期系統(tǒng)t線性勢(shì)場(chǎng)中的布洛赫震蕩線性勢(shì)場(chǎng)中的布洛赫震蕩布洛赫震蕩是周期勢(shì)，以及波矢存在最大值的直接結(jié)果。排斥勢(shì)束縛粒子對(duì)排斥勢(shì)束縛粒子對(duì)K.Winkler,et.al,Nature441,853(2006).雙點(diǎn)量子比特雙點(diǎn)量子比特0UU0s s+1 s+2 s+30UU0s s+1 s+2 s+3單光子開(kāi)關(guān)單光子開(kāi)關(guān)(, )2LRSingle-particlesource量子點(diǎn)量子點(diǎn)長(zhǎng)頸瓶中不同尺寸的硒化鎘(CdSe)量子點(diǎn)在紫外線的照射下發(fā)出熒光量子點(diǎn)(quantumdot)是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說(shuō)，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米(nm)以下量子點(diǎn)具有激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜窄而對(duì)稱，顏色可調(diào)，光化學(xué)穩(wěn)定性高，熒光壽命長(zhǎng)等優(yōu)越的熒光特性，是一種理想的熒光探針。量子遂穿量子遂穿隧穿粒子的能量不變，只有量子幅降低。找到粒子的概率降低。隧穿粒子